硅基光波导模斑转换器的制作方法

本实用新型属于光通信与光互连技术领域，更具体的涉及一种硅基光波导模斑转换器，用于解决硅基光子芯片与普通单模光纤的接口问题。

背景技术：

由于采用了发展较为成熟的CMOS工艺，基于硅基平台的光集成技术可为光互连提供一种低损耗、高性能的解决方案。拥有高折射率差的SOI平台有利于建立尺寸更小、集成度更高的集成光器件，因此一直以来都受到广泛的关注。然而对于硅基光子芯片来说一个亟需解决问题是如何低损耗地实现小尺寸的芯片内光信号与片外大尺寸的器件中光信号的耦合。硅基光波导的尺寸通常很小，其截面尺寸小于0.5微米，而普通单模光纤的芯径约为8-10微米，两者尺寸相差较大，造成了严重的模场失配，从而引起很大的耦合损耗，因此需要在芯片上设计出特殊的模斑转换器以提高耦合效率。

模斑转换器有端面耦合和光栅耦合两种方式。光栅耦合是一种波长敏感，封装困难的耦合技术，其多用于芯片的测试。端面耦合是一种效率高且易于封装的耦合方法，现有的技术中曾采用引入低折射率的中介直波导的方法，其折射率低于硅，因此中介波导的模场与光纤的模场更加匹配，使得光场可以相对高效地从光纤中耦合进中介波导。之后，再通过引入锥型的硅波导，其宽度在光场进入的界面较窄，使得光场主要集中在硅波导外，再随着硅波导的逐渐加宽，从而使光场逐渐耦合进入硅波导中。在中介波导材料的选择上，SU-8胶是一种稳定的聚合物，已经广泛应用于各种光电芯片产品。它是一种负性厚光刻胶，具有良好的光敏性、抗化学腐蚀性和热稳定性等优点。它在近紫外光范围内光吸收度很低，且整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致，可得到具有垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形，可以形成台阶等结构复杂的图形。直接采用SU-8光刻胶来制备深宽比高的微结构与微零件是一种灵活且成本低廉的方案。但通常的中介波导波导尺寸仍与单模光纤有一定差距，因此耦合效率仍然不高。如何进一步扩大中介波导尺寸，提高光纤耦合效率，同时仍然保持光可以耦合进入锥型的硅波导，是具有一定挑战性的。

因此，采用合理的材料设计一种封装工艺简单、与普通单模光纤耦合效率高的硅基模斑转换器是具有重要意义的。

技术实现要素：

、实用新型目的。

本实用新型提出了一种硅基光波导模斑转换器，以解决现有技术中模斑转换器与普通单模光纤耦合效率低的问题，实现提高硅基光波导模斑转换器的耦合效率。

、本实用新型所采用的技术方案。

一种硅基光波导模斑转换器，包括：上包层、绝缘体层、衬底、第一光波导、第二光波导和第三光波导，所述绝缘体层置于所述衬底上，所述第一光波导设置于所述绝缘体层上方一侧，所述第二光波导置于所述绝缘体层上，横贯绝缘体层并包裹所述第一光波导，所述第三光波导置于所述第二光波导上远离所述第一光波导的一侧；所述第一光波导为三角形，底边朝向远离所述第三光波的一侧，第二光波导与所述第三光波导两端均为梯型；所述上包层置于所述绝缘体层上并包裹住所述第二光波导、所述第三光波导。

进一步的，所述上包层为二氧化硅，厚度在1-5um之间。

进一步的，所述绝缘体层为二氧化硅，厚度在1-5um之间。

进一步的，所述衬底为硅。

进一步的，所述第一光波导为硅，厚度在500nm以下。

进一步的，所述第二光波导为SU-8光刻胶，厚度在1-5um之间，远离所述第一光波导的一侧用于与光纤耦合，其宽度在9-16um之间。

进一步的，所述第三光波导为SU-8光刻胶，厚度在2-6um之间，远离所述第一光波导的一侧用于与光纤耦合，其宽度在9-16um之间。

、本实用新型所产生的技术效果。

（1）本实用新型通过采用叠加的两层锥型波导，使得硅基光波导模斑转换器可以与普通单模光纤直接进行端面连接，而不必使用小模场光纤或锥型透镜光纤。

（2）本实用新型采用SU-8光刻胶作为波导结构，可以使用旋涂匀胶、光刻、显影的方法一层一层制作波导结构，降低了工艺难度，且提高了与单模光纤模斑匹配度，提高了光的耦合效率，便于大规模光路集成。

附图说明

图1为本实用新型所述硅基光波导模斑转换器的结构示意图，为清楚显示结构，本图中省略了上包层。

图2为本实用新型所述硅基光波导模斑转换器沿图1所示A-A方面的剖面图。

附图标记说明：1-上包层、2-绝缘体层、3-衬底、4-第一光波导、5-第二光波导、6-第三光波导。

具体实施方式

实施例1

如图1-2所示，本实施例一种硅基光波导模斑转换器，包括上包层1，绝缘体层2，衬底3，第一光波导4，第二光波导5，第三光波导6。通常的硅光芯片中，绝缘体层2的厚度通常在1-5um之间，第一光波导4的厚度通常在500nm以下。

本实施例所述硅基光波导模斑转换器中，衬底3为硅，衬底3上制作有绝缘体层2。绝缘体层2表面制作有第一光波导4，第一光波导4材料为硅，为三角形，顶角朝向第二光波，放置于第二光波导5之中。第二光波导5放置在绝缘体层2上，第二光波导材料为SU-8光刻胶，厚度在1-5um之间，形状为两个等大的梯形沿底边拼合，顶边宽于第一光波导的底边。第三光波导6放置在第二光波导5远离第一光波导4的一端上，第三光波导6材料为SU-8光刻胶，形状为两个等大的梯形沿底边拼合，厚度在2-6um之间，第三光波导6的底边窄于第二光波导5的底边，顶边宽度等于第二光波导5的顶边，宽度在9-16um之间，第一光波导4、所述第二光波导5与所述第三光波导6同向设置。第一光波导4的长度约为第二光波导5长度的1/4，第三光波导6长度约为第二光波导5长度的1/2。上包层1置于所述绝缘体层2上并完全包裹住所述第二光波导5和所述第三光波导6。

在使用本实用新型的结构时，光从右侧入射。第二光波导、第三光波导右侧结构叠加在一起，其模场与单模光纤中的模场相匹配，可将单模光纤中的光耦合入第二光波导、第三光波导。由于第三光波导中间宽，两端为锥形，从中间向一侧宽度逐渐减小，因此第三光波导中的光场逐渐减少，至第三光波导的左侧尖端处，模斑已主要集中在第二光波导中。之后，第二光波导的宽度也逐渐减小，使得第二光波导中的光场也逐渐减少，至第二光波导的右侧尖端处，第一光波导左侧尖端的模场可与第二光波导右侧尖端处的模斑匹配，由于耦合，光场逐渐转移到第一光波导中。本实用新型的最终效果为，实现光场从单模光纤到硅波导的耦合。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。